dilatazionetermico è un fenomeno fisico derivante da un aumento della temperatura di un corpo. Quando un corpo è esposto a qualche fonte di calore, il tuo temperatura può subire variazioni, aumentando l'agitazione delle molecole, che oscillano attorno ad uno spazio più ampio.
Questa variazione microscopica nella vibrazione delle molecole può essere percepita su scala macroscopica, come quando rimane una sbarra di ferro iron leggermente più grande a causa del riscaldamento.
dilatazione lineare
dilatazionelineare i solidi è il fenomeno fisico che si verifica quando corpi di forma lineare che si trovano allo stato solido, come fili, cavi, aghi, barre, tubi, subiscono una variazione di temperatura. Per calcolare la grandezza della dilatazione lineare, usiamo il coefficienteneldilatazionelineare di materiale.
Esempi di dilatazione termica lineare
Deformazione dei binari del treno a causa della grande ampiezza termica durante i cicli diurni e notturni. Per questo effetto si utilizza il giunto di dilatazione, un piccolo spazio tra due barre consecutive.
I fili di rame utilizzati nella trasmissione della corrente elettrica sui pali sono sempre maggiori della distanza tra i poli. Se non lo fossero, nelle giornate fredde, questi conduttori subirebbero variazioni negative di lunghezza, e potrebbero subire rotture
dilatazione superficiale
dilatazionesuperficiale dei solidi è la variazione dell'area di un corpo che si trova allo stato solido a causa di un aumento della sua temperatura. Il calcolo dell'espansione superficiale di un solido dipende dalla sua coefficienteneldilatazionesuperficiale.
Esempi di dilatazione termica superficiale
Tra i pannelli di piastrelle, utilizzati nei pavimenti residenziali e nei marciapiedi, viene lasciato un piccolo spazio libero, che è occupato dalla malta, un materiale poroso in grado di assorbire parte delle dilatazioni subite dalle parti ceramica.
È comune vedere dei meccanici riscaldare un dado attaccato a un bullone per rimuoverlo, poiché il riscaldamento provoca la dilatazione del dado, facilitandone la rimozione.
dilatazione volumetrica
dilatazione volumetricaè l'espansione del volume di un corpo aumentando la sua temperatura. L'espansione volumetrica è calcolata da coefficienteneldilatazionevolumetrico del corpo.
Esempi di dilatazione termica volumetrica
Le viti utilizzate nelle fusoliere degli aerei possono essere posizionate a temperature molto basse prima di essere avvitate. Dopo la filettatura, l'aumento della temperatura della vite ne dilata le dimensioni, rendendo quasi impossibile la successiva rimozione.
Coefficiente di dilatazione termica
Mentre alcuni materiali devono subire enormi variazioni di temperatura affinché la loro espansione diventi evidente, altri hanno bisogno di far variare la loro temperatura di alcuni gradi in modo che le differenze nella loro dimensioni.
La proprietà fisica che determina la facilità o la difficoltà del materiale a cambiare le sue dimensioni al variare della temperatura è detta coefficiente di dilatazione termica.
Con l'aumento della temperatura, le molecole di un corpo iniziano ad occupare uno spazio più ampio.
Guardaanche: calorimetria
Ogni materiale ha un proprio coefficiente di dilatazione termica, che può essere di tre tipi distinti: coefficiente di dilatazionelineare, superficiale e volumetrico. Per calcolare l'espansione subita da un corpo, utilizziamo solo uno di questi coefficienti, determinato in base alla forma presentata dal corpo.
Nonostante soffrano dilatazioni superficiali e volumetriche, corpi allungati che hanno simmetria lineare, come cavi e fili, sono soggetti ad espansione nella loro lunghezza molto maggiore dell'espansione nella loro area o volume.
I coefficienti di espansione lineare, superficiale e volumetrico sono indicati rispettivamente con le lettere greche α, β, e γ, e la sua unità di misura è ºC-1.
L'effetto dell'espansione termica dei solidi è di grande importanza commerciale e tecnologica. La costruzione di edifici, ad esempio, utilizza materiali che sono spesso esposti a grandi e talvolta brusche variazioni di temperatura. In questo caso è fondamentale conoscere i coefficienti di dilatazione di ciascun materiale utilizzato nell'edilizia civile per evitare la comparsa di crepe e altri difetti strutturali.
Relazione tra coefficienti di dilatazione dei solidi
Corpi con diverse simmetrie realizzati nello stesso materiale subiscono diverse forme di espansione. Una barra di ferro, ad esempio, subisce un'espansione lineare, mentre una lastra dello stesso materiale subisce un'espansione superficiale. Questo perché il coefficiente di espansione superficiale è il doppio del coefficiente di espansione lineare, mentre il coefficiente di espansione volumetrica è tre volte maggiore del coefficiente di espansione lineare. Orologio:
Non fermarti ora... C'è dell'altro dopo la pubblicità ;)
α – coefficiente di espansione lineare
β – coefficiente di espansione superficiale
γ – coefficiente di espansione volumetrica
Dilatazione termica nei ponti
Gli effetti dell'espansione termica sono particolarmente importanti nelle costruzioni che non possono deformare o rompere la loro struttura, come i ponti. Ecco perché, in questo tipo di costruzione, vengono utilizzati diversi giunti di dilatazione.
L'immagine sotto mostra il giunto di dilatazione di un ponte. Orologio:
I giunti di dilatazione riducono le possibilità di fessurazioni dovute all'espansione del calcestruzzo nei ponti.
Formule di espansione termica
Controlla di seguito le formule utilizzate per calcolare le dilatazioni lineari, superficiali e volumetriche dei solidi.
Formula di dilatazione lineare
La formula di dilatazione lineare può essere presentata in due modi: uno per calcolare la dimensione corporea finale e un altro per calcolare la variazione di lunghezza subita durante la dilatazione:
l – lunghezza finale
l0 – lunghezza iniziale
T - variazione di temperatura
L – variazione di lunghezza
Formula di dilatazione della superficie
Come la formula di espansione lineare, anche la formula di espansione della superficie può essere scritta in due modi diversi:
S – zona finale
S0 – area iniziale
T - variazione di temperatura
S - variazione di area
Formula di espansione volumetrica
Infine, abbiamo le espressioni che ci permettono di calcolare il volume finale di un corpo o la sua variazione volumetrica:
V - Volume finale
V0 – volume iniziale
T - variazione di temperatura
V – variazione di volume
Sommario
Quando un solido viene riscaldato, le sue molecole iniziano a vibrare più ampiamente, occupando più spazio. A seconda del coefficiente di riscaldamento e dilatazione del materiale, l'effetto può essere osservato ad occhio nudo.
I coefficienti di dilatazione superficiale e volumetrica dello stesso materiale omogeneo (costituito da un'unica sostanza) sono rispettivamente doppi e tripli del coefficiente di dilatazione lineare.
Ogni corpo subisce contemporaneamente tutti e tre i tipi di dilatazione, tuttavia uno di essi è più significativo degli altri, in quanto maggiormente privilegiato dalla forma del corpo.
Esercizi sulla dilatazione termica
Una barra di ferro lunga 2,0 m il cui coefficiente di dilatazione lineare è α=1,2.10-5 °C-1 è a temperatura ambiente (25ºC). Questo corpo viene poi esposto ad una fonte di calore, raggiungendo, al termine del suo riscaldamento, una temperatura di 100°C.
Determinare:
a) l'espansione subita dal bar.
b) la lunghezza finale della barra.
c) i coefficienti di dilatazione superficiale e volumetrica del materiale di cui è composta questa barra.
Risoluzione
a) Per calcolare l'espansione subita dalla barra, dobbiamo ricordare che la sua forma è lineare, quindi questa è la forma più importante di espansione subita da essa. Usando la formula di dilatazione lineare, avremo:
Secondo il risultato di cui sopra, questa barra subirebbe una dilatazione di 1,8 mm nella sua lunghezza.
b) La lunghezza finale della barra può essere facilmente trovata, poiché conosciamo già l'espansione subita da essa. La sua lunghezza finale sarà 2.0018 m (2 metri e 1,8 mm)
c) I coefficienti di espansione superficiale e volumetrica sono multipli del coefficiente di espansione lineare. I loro valori sono, rispettivamente, 2,4.10-5 °C-1e 3,6.10-5 °C-1.
Di Me. Rafael Helerbrock
Determinare il modulo del coefficiente di dilatazione superficiale di una trave di acciaio omogenea lunga 5,0 m che, riscaldata a 50 °C, ha una dilatazione lineare di 5,10-3 m.
Sapendo che un materiale solido ed omogeneo ha un coefficiente di espansione volumetrica costante pari a 1.2.10-5 °C-1, determinare il coefficiente di dilatazione superficiale di questo materiale e verificare l'alternativa corretta:
